有限元方法在超聲檢測(cè)中的應(yīng)用

摘要：金屬結(jié)構(gòu)的產(chǎn)品在我們目前的生活中應(yīng)用非常廣泛，但是金屬構(gòu)件在使用過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)各種各樣的缺陷影響使用并且產(chǎn)生事故，本文利用有限元的方法對(duì)構(gòu)件進(jìn)行仿真檢測(cè)，仿真得到的數(shù)據(jù)應(yīng)用于實(shí)際檢測(cè)中。

關(guān)鍵詞：超聲檢測(cè);有限元;ANSYS

在我們國(guó)民生產(chǎn)的各個(gè)領(lǐng)域，比如說(shuō)制造業(yè)、交通運(yùn)輸、國(guó)防軍工、航空航天等，金屬結(jié)構(gòu)的產(chǎn)品都有著廣泛的應(yīng)用，其中我們最常見(jiàn)的對(duì)我們生活產(chǎn)生影響比較大的產(chǎn)品非常多，例如說(shuō)高鐵火車(chē)運(yùn)行時(shí)使用的軌道的滑輪，工業(yè)生產(chǎn)中各種設(shè)備所使用的滑輪、連接處的螺絲、機(jī)器設(shè)備的支撐工具等等以及各種軍事工業(yè)單位生產(chǎn)的槍炮彈的子彈、彈殼等。為了保證這些產(chǎn)品的使用性能更優(yōu)，不管是工業(yè)生產(chǎn)上使用的這些金屬基本上都是經(jīng)過(guò)高溫磨煉打造的，同時(shí)后期也會(huì)通過(guò)機(jī)械加工。但是因?yàn)樵诮?jīng)過(guò)高溫磨煉打造的過(guò)程中常通常會(huì)帶有溫度的瞬間變化，從而造成使用的成品中間產(chǎn)生裂紋或者裂縫，為了保證這些成品工件在使用過(guò)程中的安全和有效，我們就要求對(duì)這些工業(yè)成品在其使用前對(duì)其進(jìn)行裂紋或者裂縫的檢測(cè)，以便及時(shí)采取補(bǔ)救措施，減少經(jīng)濟(jì)損失和潛在危險(xiǎn)。

1超聲檢測(cè)的現(xiàn)狀

當(dāng)今社會(huì)，國(guó)內(nèi)的大多數(shù)生產(chǎn)廠家針對(duì)這類金屬成品的缺陷檢測(cè)，主要采用超聲方法，通過(guò)手動(dòng)或自動(dòng)的方式粗略檢測(cè)產(chǎn)品內(nèi)部缺陷，但是由于金屬工件內(nèi)部的缺陷各種各樣，在實(shí)際的檢測(cè)的時(shí)候，不單單要檢測(cè)出含有缺陷否，還要對(duì)缺陷進(jìn)行分析重構(gòu)，所以這就需要缺陷大量的數(shù)據(jù)以及模型，但在實(shí)際實(shí)驗(yàn)中，為了節(jié)省時(shí)間以及成本，不可能做出各種各樣的缺陷供我們檢測(cè)分析以及重構(gòu)，所以我們采用有限元的方法來(lái)對(duì)各種各樣的缺陷進(jìn)行仿真數(shù)據(jù)的采集，采集的數(shù)據(jù)可以用于后期缺陷的重構(gòu)。

2有限元方法的簡(jiǎn)介

當(dāng)今社會(huì)，在用supersonic（即超聲波）對(duì)金屬成品中間的裂縫和裂紋進(jìn)行檢測(cè)的時(shí)候，最常用的模擬方法主要基本就包含了以下三種方法：[1]FEM（有限元法）、FDM（有限差分法）、BEM（邊界元法）。這三種方法，都可以稱之為是數(shù)值仿真方法。這中間，使用FEM方法的廠家以及研究機(jī)構(gòu)是最多的。FEM是一種模擬仿真的分析計(jì)算方法，它的理論依據(jù)主要是將要求解的完整的連續(xù)的單元經(jīng)過(guò)數(shù)學(xué)處理的方法處理成一個(gè)個(gè)分散的單元的組合體，然后用特定的函數(shù)來(lái)對(duì)每一個(gè)離散以后的單元體來(lái)進(jìn)行所需要的求解，這樣我們就將一個(gè)連續(xù)的單元體分割成離散的有限問(wèn)題，從而達(dá)到模擬仿真計(jì)算的結(jié)果。有限元的方法就是把連續(xù)的單元離散成有限個(gè)小單元，從而對(duì)每一個(gè)小單元利用單元場(chǎng)函數(shù)來(lái)求解，最終將所有小單元求解的結(jié)果集合就代表整個(gè)連續(xù)體的場(chǎng)函數(shù)。有限元法求解其實(shí)就是分割求解，這樣就對(duì)我們的計(jì)算機(jī)性能要求比較高，所以有限元是隨著計(jì)算機(jī)的發(fā)展而發(fā)展的，他反過(guò)來(lái)又應(yīng)用于計(jì)算機(jī)的輔助制造中，又促進(jìn)了計(jì)算機(jī)的發(fā)展。

當(dāng)下，不管是國(guó)內(nèi)還是國(guó)外，商用的有限元軟件都非常多，比如說(shuō)ANSYS、NASTRAN、ABAQUS、FZPLEX等。這些軟件各有各的優(yōu)缺點(diǎn)，對(duì)于仿真超聲波檢測(cè)金屬成品的缺陷效果也各有不同，經(jīng)過(guò)多次實(shí)驗(yàn)仿真的對(duì)比，本次仿真采用ANSYS軟件來(lái)進(jìn)行模擬仿真計(jì)算。

3利用ANSYS進(jìn)行仿真檢測(cè)

有限元軟件ANSYS主要包括三個(gè)部分：前處理過(guò)程，分析計(jì)算模塊和后處理過(guò)程。前處理過(guò)程主要是方便構(gòu)造有限元模型，在這個(gè)過(guò)程中，主要包含有限元模型材料的選取以及材料所對(duì)應(yīng)的參數(shù)的設(shè)定、模型建立、網(wǎng)絡(luò)劃分等;分析計(jì)算模塊包括結(jié)構(gòu)分析、流體動(dòng)力學(xué)分析、電磁場(chǎng)分析、聲場(chǎng)分析、壓電分析以及多物理場(chǎng)的耦合分析，而我們所用的超聲波屬于機(jī)械波，[1]是物體機(jī)械振動(dòng)狀態(tài)（或能量）的傳播形式。在彈性介質(zhì)中通常以縱波的方式傳播，所以我們?cè)诶肁NSYS中進(jìn)行分析計(jì)算時(shí)，選擇的是動(dòng)力學(xué)模塊來(lái)進(jìn)行仿真計(jì)算，這樣，就可以很好地模擬仿真超聲波在介質(zhì)內(nèi)的傳播，仿真分析所選用的模塊確定了以后，在這一過(guò)程中我們還要進(jìn)行加載激勵(lì)信號(hào)、邊界條件加載、求解設(shè)置等過(guò)程，這一步是我們仿真計(jì)算的關(guān)鍵部分，參數(shù)設(shè)置的合適與否直接決定了我們仿真計(jì)算的成敗;最后一步是后處理過(guò)程，這一過(guò)程可將我們第二步計(jì)算出來(lái)的結(jié)果以彩色等值線顯示、梯度顯示等圖形方式顯示出來(lái)，也可將計(jì)算結(jié)果以圖表、曲線形式顯示或輸出。

利用有限元軟件ANSYS進(jìn)行超聲波對(duì)金屬成品進(jìn)行裂紋或者裂痕檢測(cè)時(shí)，在前處理過(guò)程中，關(guān)鍵任務(wù)就是建立物體缺陷檢測(cè)的仿真模型，[1]這其中就包括了對(duì)所要進(jìn)行檢測(cè)的物體的具體尺寸大小、材料屬性的設(shè)置;模型建立起來(lái)以后，再利用布爾代數(shù)的方法來(lái)人為的設(shè)置所建立模型的缺陷;然后根據(jù)要施加的激勵(lì)信號(hào)的頻率根據(jù)公式計(jì)算出符合仿真要求的網(wǎng)格大小并對(duì)所建模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分。第二步分析計(jì)算模塊主要就是根據(jù)實(shí)際情況設(shè)置相應(yīng)的邊界條件后選擇合適的求解器對(duì)其進(jìn)行求解。后處理過(guò)程就是用來(lái)分析處理求解結(jié)果信息和以各種方式提取計(jì)算結(jié)果數(shù)據(jù)信息，保存缺陷回波信號(hào)的完整數(shù)據(jù)。

4結(jié)論

利用超聲波進(jìn)行缺陷檢測(cè)，是當(dāng)今社會(huì)比較一種新興的無(wú)損檢測(cè)技術(shù)，他具有快速、方便、準(zhǔn)確等優(yōu)點(diǎn)，因而受到廣泛關(guān)注與應(yīng)用。本文所說(shuō)的根據(jù)有限元軟件ANSYS進(jìn)行模擬仿真計(jì)算得到缺陷回波信號(hào)，同時(shí)對(duì)所采集到的缺陷回波信號(hào)進(jìn)行分析，可以分析得出缺陷與回波特征之間的規(guī)律，最終為缺陷重構(gòu)和識(shí)別奠定基礎(chǔ)。

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